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协程设计原理与汇编实现

本文介绍了协程的概念、特征、优势、以及其实现原理。

1. 协程概念

协程是一种轻量级的用户态线程。它允许在单个线程内执行多个任务，使得程序可以在不同的函数之间灵活地切换，以便更好地利用 CPU 资源。这种机制特别适合 IO 密集型任务（如网络请求、文件读写）和异步编程场景。协程可以被暂停和恢复，避免了阻塞等待，同时不需要系统级线程的切换成本。

协程的实现在底层是由执行流的跳转切换机制实现的。一般情况，有一个协程调度器作为每个协程挂起时要切换回的代码。

应用场景：

• webserver
• kv存储
• 图床，网络层

同步和异步：

"同步"和"异步"主要是指在执行任务时，任务与调用方的相互关系。在同步操作中，调用方会等待任务执行完毕然后继续执行。在异步操作中，调用方会立即返回并继续执行后续的操作，不会等待任务执行完，任务执行完可以通过回调、事件等方式通知调用方。

异步的好处：

• 多线程并发，充分利用cpu，性能好。

异步的坏处：

• 代码复杂，不好理解，需要设置回调函数或者使用事件机制。

协程的好处：

• 同步的编程方式，实现异步的性能。

互联网中协程可能被用到的场景：

1. 浏览器网页加载发送异步HTTP请求时可能用到了协程。
2. 淘宝商店界面加载商品信息
3. 直播界面加载评论和视频流
4. 贴吧加载新的帖子回复
5. bilibili异步加载新的回复
6. 网络游戏中加载各种位置信息
7. 微信聊天时，需要异步加载和发送信息
8. 音视频通话异步加载流媒体
9. chatgpt异步发送和接收问答消息
10. github的git仓库托管服务器可能使用协程处理用户的push、pull等请求

2. 协程的实现

2.1 setjmp

setjmp 和 longjmp 提供了一种低级的非局部跳转机制，适用于需要在 C 程序中实现复杂控制流或异常处理的情况。但由于它们带来的复杂性和潜在风险，使用时需要小心，确保不会影响程序的可维护性和可读性。

代码示例：

#include <setjmp.h>
#include <stdio.h>jmp_buf env1, env2, env3;// coroutine1
void func1(void)
{int cur = 0;int ret = setjmp(env1);if (ret == 0)longjmp(env3, 1);printf("func1: %d [%d]\n", ret, cur++);if (ret < 20){longjmp(env2, ++ret);    }
}// coroutine1
void func2(void)
{int cur = 0;int ret = setjmp(env2);printf("func2: %d [%d]\n", ret, cur++);if (ret < 20){longjmp(env1, ++ret);    }
}int main()
{int ret = setjmp(env3);if (ret == 0)func1();elsefunc2();return 0;
}

从实现代码中可以看到setjmp机制需要我们自己保证协程所在的栈空间已被建立，并且还没有退出。协程所在的函数需要先手动执行，才能进行调度。协程的调度也比较麻烦。

2.2 ucontext

ucontext 是一种用于实现协程和用户态线程的机制。它在一些类 Unix 系统（例如 Linux）中提供了在用户态创建、切换和恢复上下文的接口。ucontext 通过保存和恢复 CPU 寄存器、堆栈指针等状态，允许程序在不同执行流之间切换，适用于实现协程和轻量级任务调度等。

其中保存协程上下文信息的结构体ucontext_t为

#include <ucontext.h>typedef struct ucontext {ucontext_t *uc_link;       // 执行结束后切换到的上下文sigset_t uc_sigmask;       // 信号屏蔽字stack_t uc_stack;          // 栈信息（地址和大小）mcontext_t uc_mcontext;    // 寄存器状态
} ucontext_t;

ucontext API 提供了几个主要函数来创建和切换上下文：

1. getcontext(ucontext_t *ucp)：获取当前上下文并保存到 ucp。
2. setcontext(const ucontext_t *ucp)：恢复指定上下文并跳转到该上下文。
3. makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...)：为 ucp 配置要执行的函数 func 及其参数。
4. swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp)：保存当前上下文到 oucp，然后切换到 ucp 上下文。

代码示例：

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>ucontext_t ctx[2];
ucontext_t main_ctx;int count = 0;// coroutine1
void func1(void)
{int cur = 0;while (count++ < 20){printf("func1: %d [%d]\n", count, cur++);// yieldswapcontext(&ctx[0], &ctx[1]);}
}// coroutine1
void func2(void)
{int cur = 0;while (count++ < 20){printf("func2: %d [%d]\n", count, cur++);// yieldswapcontext(&ctx[1], &ctx[0]);}
}int main()
{char stack1[2048] = {0};char stack2[2048] = {0};getcontext(&ctx[0]);ctx[0].uc_stack.ss_sp = stack1;ctx[0].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1);// 执行完之后跳转的地方ctx[0].uc_link = &main_ctx;makecontext(&ctx[0], func1, 0);getcontext(&ctx[1]);ctx[1].uc_stack.ss_sp = stack2;ctx[1].uc_stack.ss_size = sizeof(stack2);ctx[1].uc_link = &main_ctx;makecontext(&ctx[1], func2, 0);printf("start\n");swapcontext(&main_ctx, &ctx[0]);return 0;
}

ucontext 机制虽然强大，但需要谨慎使用。现代开发中，通常使用其他更高层的协程库，如 libco、libuv 或 Boost.Context 等。

2.3 汇编实现

使用汇编语言来实现协程的切换：主要操作为恢复和保存寄存器的值。

int _switch(nty_cpu_ctx *new_ctx, nty_cpu_ctx *cur_ctx);__asm__(
"    .text                                  \n"
"       .p2align 4,,15                                   \n"
".globl _switch                                          \n"
".globl __switch                                         \n"
"_switch:                                                \n"
"__switch:                                               \n"
"       movq %rsp, 0(%rsi)      # save stack_pointer     \n"
"       movq %rbp, 8(%rsi)      # save frame_pointer     \n"
"       movq (%rsp), %rax       # save insn_pointer      \n"
"       movq %rax, 16(%rsi)                              \n"
"       movq %rbx, 24(%rsi)     # save rbx,r12-r15       \n"
"       movq %r12, 32(%rsi)                              \n"
"       movq %r13, 40(%rsi)                              \n"
"       movq %r14, 48(%rsi)                              \n"
"       movq %r15, 56(%rsi)                              \n"
"       movq 56(%rdi), %r15                              \n"
"       movq 48(%rdi), %r14                              \n"
"       movq 40(%rdi), %r13     # restore rbx,r12-r15    \n"
"       movq 32(%rdi), %r12                              \n"
"       movq 24(%rdi), %rbx                              \n"
"       movq 8(%rdi), %rbp      # restore frame_pointer  \n"
"       movq 0(%rdi), %rsp      # restore stack_pointer  \n"
"       movq 16(%rdi), %rax     # restore insn_pointer   \n"
"       movq %rax, (%rsp)                                \n"
"       ret                                              \n"
);

上面的_switch函数实现了协程上下文的切换，和线程切换所作的工作类似

2.4 优缺点

1. setjmp实现方式复杂，但是跨平台性好
2. ucontext实现方式简单，但是跨平台性一般
3. 汇编实现方式复杂，跨平台型差，但是效率高

2.5 实现协程原语

2.5.1 create()

主要工作是创建一个保存协程上下文的数据结构。一个协程的上下文必须包括如下信息：

• 协程运行的函数和参数信息

• cpu寄存器上下文

• 运行时栈上下文

• 协程状态

• 协程id

• 协程所属的调度器

• 其他信息

一个示例如下：

struct _coroutine_context
{ucontext_t ctx;			// 里面包括寄存器状态和栈上下文proc_coroutine func;	// 协程运行的函数和参数信息void *arg;void *data;coroutine_status status;	// 协程状态scheduler *sched;			// 所属的调度器uint64_t id;
};

创建协程所作的主要工作包括：

• 分配一个协程上下文并初始化
• 获取并设置调度器
• 将改协程加入调度器进行管理

2.5.2 yield()

主要工作是调用swapcontext()或者_switch()切换会协程调度器。

2.5.3 resume()

主要工作是恢复协程的执行。

2.5.4 exit()

主要工作是协程从调度器中删除，然后释放协程上下文。

2.5.5 switch()

协程切换，主要是切换协程的寄存器。

2.5.6 sleep()

让协程停止执行一段时间。

2.6 协程调度器

协程调度器管理协程，包括一个就绪协程队列，一个sleep协程的集合，一个运行时协程队列，一个等待协程集合。可以采用事件机制，当某事件发生时（例如某fd可读），可以将相应的协程从等待集合中取出并恢复执行。

其核心代码如下

while (1)
{// 检查sleep集合，查看是否有协程超时coroutine_context *expired;while ((expired = check_expired(sched))){resume(expired);}// 检查wait结合，查看是否有协程有监听的事件发生coroutine_context *waked;int nready = epoll_wait(epfd, events, EVENTS_SIZE, 1);for (int i = 0; i < nready; ++i){waked = wait_search(events[i].data.fd);resume(waked);}// 恢复ready队列中的协程的运行coroutine_context *rdy;while (!is_ready_empty(sched)){rdt = ready_pop(sched);resyme(rdt);}
}

3. 利用hook使用协程版本的库函数

利用运行时动态链接，可以在运行时将一个函数替换为为使用协程的版本。

例如，以下代码将read函数在运行时替换为了另一个函数：

#include <dlfcn.h>
#include <unistd.h>typedef ssize_t (*readf_t)(int fd, void *buf, size_t count);readf_t readf;void init_hook()
{readf = (readf_t)dlsym(RTLD_NEXT, "read");
}ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)
{if (!readf) init_hook();// 如果对应的fd不可读，那么就挂起协程yield_if_not_ok(fd, POLLIN | POLLERR | POLLHUP);return readf(fd, buf, count);
}

学习参考

学习更多相关知识请参考零声 github。